CN115475598A - 一种黄土-改性膨润土垂直阻隔墙材料制备方法及其应用 - Google Patents

一种黄土-改性膨润土垂直阻隔墙材料制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种黄土‑改性膨润土垂直阻隔墙材料制备方法及其应用，以黄土作为母土，先将改性膨润土水化12小时以上，取烘干后的黄土过筛，然后将细粒黄土、水化后的改性膨润土和水按比例混合后置于真空搅拌机中混合搅拌4小时以上，分多次倒入土样筒中同时振荡土样筒，将土样静置24小时，自重排水后开始固结，直至渗透系数降低至10‑9m/s，即可得到黄土‑改性膨润土垂直阻隔墙材料。本发明制备的黄土及改性膨润土垂直阻隔墙材料能够有针对性的吸附阻滞有机污染物或无机污染物，能够对渗滤液成分不同的污染场地进行修复处理。

Description

一种黄土-改性膨润土垂直阻隔墙材料制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及污染物吸附材料技术领域，具体涉及一种黄土-改性膨润土垂直阻隔墙材料制备方法及其应用。
背景技术
随着我国城市化的发展，非正规垃圾填埋场带来的风险问题日益严峻，非正规垃圾填埋场污染对地下水的危害主要源于渗滤液污染物向含水层迁移扩散。渗滤液是垃圾在填埋过程中接收降雨入渗，地下水渗流，以及伴随内部发生的物理，化学和微生物反应而形成高浓度有害液体。垂直阻隔墙技术是治理非正规垃圾填埋场的一种常用技术，在污染场地周边进行原位开挖，并筑成一道低渗透性的垂直阻隔墙，阻止污染场地下水的污染物向外扩散，同时阻止未污染的地下水进入受控污染区域。
在选取垂直防渗阻隔墙材料时，需要考虑其渗透特性及其与污染物的相容性，即其抵抗污染作用对工程性质造成不利影响的能力。黄土在我国分布广泛，储量巨大，已被证明对重金属污染物(铅，镉，锌，汞等)具有较好的吸附性，将黄土作为垂直防渗阻隔墙等场地修复工程的母土，可实现污染控制的同时节约经济成本。但由于单一黄土渗透系数很难满足阻隔墙要求，通常会掺入10％左右的膨润土，制成黄土-膨润土阻隔墙。膨润土作为阻隔墙材料添加剂，可以有效降低阻隔墙渗透系数，同时增大对污染物的吸附阻滞性能。天然膨润土材料在阻隔墙中的应用尚存在一定的局限性，主要体现在对改性污染物的吸附性和化学相容性方面。已有研究表明，黄土-改性膨润土垂直阻隔墙材料可提高垂直阻隔墙对污染物的相容性，改善阻隔墙的服役性能。阳离子表面活性剂改性膨润土可以大幅增大膨润土对污染物的吸附量，而亲水性的聚合物改性膨润土则可以增大膨润土的膨胀性和吸水性并降低渗透系数。因此，两种改性膨润土在垂直阻隔墙材料中均有较好的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种黄土-改性膨润土垂直阻隔墙材料制备方法及其应用。本发明所制备的材料所制备的材料能够对渗滤液成分不同的污染场地进行有针对性的修复处理。
本发明所采用的具体技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种黄土-改性膨润土垂直阻隔墙材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：将改性膨润土加水进行水化，得到水化改性膨润土；黄土风干后烘干至恒重，冷却至室温，过筛得到细粒黄土；
S2：将上述细粒黄土、水化后的改性膨润土和水按比例混合得到混合物；将所述混合物混合搅拌后，分多次倒入容器中，装样的同时振荡容器，获得土样；
S3：将上述土样静置24小时，自重排水后开始固结，逐步增大固结压力，使细粒黄土和改性膨润土的土样渗透系数降低，得到黄土-改性膨润土垂直阻隔墙材料；
上述改性膨润土为十六烷基三甲基氯化铵膨润土或羧甲基纤维素膨润土；上述十六烷基三甲基氯化铵膨润土由阳离子表面活性剂十六烷基三甲基氯化铵对天然膨润土改性所得；上述羧甲基纤维素膨润土由亲水性聚合物羧甲基纤维素对天然膨润土改性所得。
作为优选，上述细粒黄土粒径小于2mm。
作为优选，S1中水化的时长在12小时以上；S1中烘干温度为100～110℃，烘干时间为8小时以上。
作为优选，上述混合物中水化改性膨润土的质量占比小于10％。
作为优选，上述混合物置于真空搅拌机中混合搅拌。
作为优选，上述S2中混合搅拌速率为800r/min，搅拌时间为4小时以上。
作为优选，上述S1～S3均在常温常压下进行。
作为优选，上述S3中固结压力增大至400kPa；上述土样渗透系数降低至10-9m/s；上述黄土-改性膨润土垂直阻隔墙材料中含水量为60％～150％。
第二方面，本发明提供一种根据第一方面所述的制备方法获得的黄土-改性膨润土垂直阻隔墙材料。
第三方面，本发明提供一种利用第二方面所述的垂直阻隔墙材料在处理渗滤液中的应用。
作为优选，以十六烷基三甲基氯化铵膨润土制备得到的黄土-改性膨润土垂直阻隔墙材料用于处理含疏水性有机污染物的渗滤液，以羧甲基纤维素膨润土制备得到的黄土-改性膨润土垂直阻隔墙材料用于处理含亲水性无机污染物的渗滤液。
本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
(1)本发明提出的黄土-改性膨润土垂直阻隔墙材料制备方法采用的主要原材料为黄土，黄土在我国分布广泛且储量巨大，能够降低治理污染场地的工程成本；
(2)本发明制备的黄土-改性膨润土垂直阻隔墙材料具有较低渗透系数，大幅增加了材料对污染物的吸附阻滞作用，并且材料具有较好的耐盐性；
(3)本发明根据污染场地不同渗滤液成分提出在黄土中加入不同种类改性膨润土，制备出能够分别针对有机污染物和无机污染物的垂直阻隔墙材料，并确定了不同黄土-改性膨润土垂直阻隔墙的原材料质量比。
附图说明
图1为黄土-改性膨润土垂直阻隔墙材料制备方法流程图；
图2为实施例中土柱试件的固结压缩曲线；
图3为实施例中土柱试件的固结系数与固结压力关系图；
图4为实施例中土柱试件的渗透系数与固结压力关系图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图1所示，为本发明提供的一种黄土-改性膨润土垂直阻隔墙材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将改性膨润土加水进行水化，得到水化改性膨润土；黄土风干后烘干至恒重，冷却至室温，过筛得到细粒黄土；
(1)将所述细粒黄土、水化后的改性膨润土和水按比例混合得到混合物；将所述混合物混合搅拌后，分多次倒入容器中，装样的同时振荡容器，获得土样；
(3)将所述土样静置24小时，自重排水后开始固结，逐步增大固结压力，使细粒黄土和改性膨润土的土样渗透系数降低，得到垂直阻隔墙材料；在实际应用中，固结压力可增大至400kPa，使渗透系数降低至10-9m/s。
在实际应用中，可以根据目标污染场地渗滤液成分特征确定垂直阻隔墙材料中使用的改性膨润土种类。上述改性膨润土种类为十六烷基三甲基氯化铵膨润土(HTMAC-B)或羧甲基纤维素膨润土(CMC-B)。上述十六烷基三甲基氯化铵膨润土由阳离子表面活性剂十六烷基三甲基氯化铵对天然膨润土改性所得；上述羧甲基纤维素膨润土由亲水性聚合物羧甲基纤维素对天然膨润土改性所得，在实际应用中，也可直接购买获得两种改性膨润土。
作为优选，水化的时长在12小时以上，烘干温度为100～110℃，烘干时间为8小时以上。
在实际应用中，细粒黄土、水化后的改性膨润土和水的混合质量比可以根据坍落度试验和业内经验确定，改性膨润土在细粒黄土与改性膨润土的总质量中占比通常小于10％，作为优选，黄土-改性膨润土垂直阻隔墙材料中含水量为60％～150％。为保证材料的性能，混合物可置于真空搅拌机中混合搅拌。在实际应用中，混合搅拌速率可采用800转/min，搅拌时间4小时。充分搅拌后，将混合物分多次倒入土样筒容器中，装样的同时振荡容器，保证土样的饱和度和均匀性。
在实际应用中，上述所有步骤均可在常温常压下进行。
本实施例还提供一种利用上述方法制备的垂直阻隔墙材料在处理渗滤液中的应用。
在实际应用时，可根据污染产地渗滤液中主要成分选取不同的改性膨润土制备垂直阻隔墙材料。作为优选，上述十六烷基三甲基氯化铵膨润土垂直阻隔墙材料可用于处理含疏水性有机污染物的渗滤液；上述羧甲基纤维素膨润土垂直阻隔墙材料可用于处理含亲水性无机污染物的渗滤液。
实施例1
本实施例提供一种吸附疏水性有机污染物的黄土-改性膨润土垂直阻隔墙材料的制备方法，具体如下：
(1)针对渗滤液主要成分为有机物的污染场地，选取十六烷基三甲基氯化铵改性膨润土((HTMAC-B))作为原料，购于浙江丰虹材料有限公司。
(2)取十六烷基三甲基氯化铵改性膨润土，加入一定量的水，水化12小时以上，得到水化后的十六烷基三甲基氯化铵改性膨润土；
(3)将黄土风干后，置于108℃烘箱烘干8h以上至恒重，去除黄土冷却至室温，过2mm筛得到细粒黄土；
(4)将细粒黄土、水化后的十六烷基三甲基氯化铵改性膨润土和水按质量比0.95：0.05：0.6得到混合物；
(5)将混合物置于真空搅拌机中混合搅拌4小时后，分多次倒入土样筒中，装样的同时振荡土样筒，保证土样的饱和度和均匀性；
(6)先将土样静置24小时，自重排水后开始固结，将固结压力逐步增大至400kPa，使细粒黄土和十六烷基三甲基氯化铵改性膨润土的土样渗透系数降低至10-9m/s，即可得到吸附有机污染物的垂直阻隔墙材料土柱试件。
实施例2
本实施例提供一种吸附亲水性无机污染物的黄土-改性膨润土垂直阻隔墙材料的制备方法，具体如下：
(1)针对渗滤液主要成分为无机物的污染场地，选取羧甲基纤维素改性膨润土(CMC-B)作为原料，购于浙江丰虹材料有限公司。
(2)取羧甲基纤维素改性膨润土，加入一定量的水，水化12小时以上，得到水化后的羧甲基纤维素改性膨润土；
(3)将黄土风干后，置于108℃烘箱烘干8h以上至恒重，去除黄土冷却至室温，过2mm筛得到细粒黄土；
(4)将细粒黄土、水化后的羧甲基纤维素改性膨润土和水按质量比为0.95：0.05：1.5混合。
(5)将混合物置于真空搅拌机中混合搅拌4小时后，分多次倒入土样筒中，装样的同时振荡土样筒，保证土样的饱和度和均匀性。
(6)将土样静置24小时，自重排水，即可得到吸附无机污染物的垂直阻隔墙材料土柱试件。
将实施例1和实施例2制备得到的土柱试件进行效果分析：
(1)压缩特性
通过固结压缩试验，获得各级压力作用下实施例1和实施例2土柱试件的孔隙比e，以固结压力为x轴，试样孔隙比为y轴，绘制得到材料的固结压缩曲线(图2)，在曲线的后半段直线部分，取任意两点计算Δe和Δlog(P)的比值，可以得到试样压缩指数Cc：
Figure BDA0003857168930000061
通过计算得实施例1中吸附有机污染物的垂直阻隔墙材料土柱试件压缩指数为0.6，实施例2中吸附无机污染物的垂直阻隔墙材料土柱试件压缩指数为0.64。
(2)固结特性
按照《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)给出的时间平方根法确定固结系数Cv，计算公式如下：
Figure BDA0003857168930000062
式中，Cv为固结系数(cm2/s)；为最大排水距离(cm)，其值为当级压力下试样初始高度和稳定高度平均值的1/2；t90为试样达到90％固结度所需要的时间(s)。
图3为各级固结压力下实施例1和实施例2的固结系数分布图。由图可得，随着固结压力从1.75kPa增大至400kPa，实施例1中吸附有机污染物的垂直阻隔墙材料土柱试件的固结系数平均从7.2×10-10cm2/s增大至9.0×10-8cm2/s，增大了两个数量级；而实施例2中吸附无机污染物的垂直阻隔墙材料土柱试件的固结系数从9.7×10-12cm2/s增大至6.4×10- 9cm2/s，增大了三个数量级。
(3)渗透系数
根据太沙基一维固结理论，固结系数Cv与渗透系数K和压缩模量Es＝(1+e)/a呈反比，根据固结系数的定义换算得到渗透系数K：
Figure BDA0003857168930000063
式中K为渗透系数(m/s)，a为压缩系数m2/N，γw为水的容重，取9.8kN/m3。
图4为渗透系数与固结压力的关系。由图可得，随着固结压力从1.75kPa增大至400kPa，实施例1中吸附有机污染物的垂直阻隔墙材料土柱试件的渗透系数从3.75×10-9m/s降低至1.43×10-9m/s；而实施例2中吸附无机污染物的垂直阻隔墙材料土柱试件的渗透系数从2.48×10-10m/s降低至6.48×10-11m/s，降低了约一个数量级。
(4)阻滞因子
为准确评估实施例1和实施例2中两种不同材料对以邻苯二甲酸二甲酯(DMP)为代表的有机污染物和以氨氮(NH4Cl)为代表的无机污染物的吸附阻滞能力，通过等温吸附实验对两种材料的等温吸附规律进行线性拟合，得到两种材料对不同污染物的阻滞因子如下表所示：
Figure BDA0003857168930000071
可以看出，实施例1对于以邻苯二甲酸二甲酯(DMP)为代表的有机污染物的阻滞因子明显大于实施例2；实施例2对于以氨氮(NH4Cl)为代表的无机污染物的阻滞因子，明显大于实施例1。因此，十六烷基三甲基氯化铵膨润土垂直阻隔墙材料可用于处理含疏水性有机污染物的渗滤液，羧甲基纤维素膨润土垂直阻隔墙材料可用于处理含亲水性无机污染物的渗滤液。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种黄土-改性膨润土垂直阻隔墙材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将改性膨润土加水进行水化，得到水化改性膨润土；黄土风干后烘干至恒重，冷却至室温，过筛得到细粒黄土；
S2：将所述细粒黄土、水化后的改性膨润土和水按比例混合得到混合物；将所述混合物混合搅拌后，分多次倒入容器中，装样的同时振荡容器，获得土样；
S3：将所述土样静置24小时，自重排水后开始固结，逐步增大固结压力，使细粒黄土和改性膨润土的土样渗透系数降低，得到黄土-改性膨润土垂直阻隔墙材料；
所述的改性膨润土为十六烷基三甲基氯化铵膨润土或羧甲基纤维素膨润土；所述十六烷基三甲基氯化铵膨润土由阳离子表面活性剂十六烷基三甲基氯化铵对天然膨润土改性所得；所述羧甲基纤维素膨润土由亲水性聚合物羧甲基纤维素对天然膨润土改性所得。
2.根据权利要求1所述的一种黄土-改性膨润土垂直阻隔墙材料的制备方法，其特征在于，所述的细粒黄土粒径小于2mm。
3.根据权利要求1所述的一种黄土-改性膨润土垂直阻隔墙材料的制备方法，其特征在于，所述S1中水化的时长在12小时以上；所述S1中烘干温度为100～110℃，烘干时间为8小时以上。
4.根据权利要求1所述的一种黄土-改性膨润土垂直阻隔墙材料的制备方法，其特征在于，所述混合物中水化改性膨润土的质量占比小于10％；优选的，混合物置于真空搅拌机中混合搅拌。
5.根据权利要求1所述的一种黄土-改性膨润土垂直阻隔墙材料的制备方法，其特征在于，所述S2中混合搅拌速率为800r/min，搅拌时间为4小时以上。
6.根据权利要求1所述的一种黄土-改性膨润土垂直阻隔墙材料的制备方法，其特征在于，所述S1～S3均在常温常压下进行。
7.根据权利要求1所述的一种黄土-改性膨润土垂直阻隔墙材料的制备方法，其特征在于，所述S3中固结压力增大至400kPa；所述的土样渗透系数降低至10-9m/s；所述黄土-改性膨润土垂直阻隔墙材料中含水量为60％～150％。
8.一种根据权利要求1～7任一所述的制备方法获得的黄土-改性膨润土垂直阻隔墙材料。
9.一种利用权利要求8所述的垂直阻隔墙材料在处理渗滤液中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，以十六烷基三甲基氯化铵膨润土制备得到的黄土-改性膨润土垂直阻隔墙材料用于处理含疏水性有机污染物的渗滤液；以羧甲基纤维素膨润土制备得到的黄土-改性膨润土垂直阻隔墙材料用于处理含亲水性无机污染物的渗滤液。
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